ХИМИЯ КРЕМНЕЗЕМА

Механизм поглощения, переноса и осаждения кремнезема

Несмотря на заметную растворимость кремнезема в воде и относительно большие объемы воды, движущиеся по растению, а затем испаряющиеся из него, для всех растений наблюдается невысокая степень окремнения. Фрей-Висслинг [117] считает, что растения просто выделяют кремнезем как неусвояемое веще­ство, находящееся в транспирационном потоке. С этих позиций можно объяснить накопление кремнезема внутри полых стеблей, как, например, в случае бамбука, но, однако, нельзя объяснить формирование специфических, в высокой степени окремненных элементов в отдельных частях растения, таких, например, как жгучие волоски крапивы. Но как отмечает Фрей-Висслинг, в большинстве растений кремнезем осаждается в перифериче­ских участках тканей и вдоль проводящих сосудов. В этом от­ношении кремнезем напоминает кальций, соли которого, слу­чайно попадая в систему, осаждаются в некоторых растениях почти так же, как и кремнезем.

Уиттенбергер [118] исследовал механизм, посредством кото­рого кремнезем попадает в сок растения через корни ржи и подсолнечника. Автор обнаружил, что при содержании 0,045 % кремнезема в культуральном растворе растения накапливали кремнезем прежде всего в корнях. Поскольку кремнезем рас­творим только до ~0,01 %, становится понятным, что такое накопление должно обусловливаться в основном отфильтровы - ванием коллоидного кремнезема на корневых мембранах. Однако при содержании кремнезема менее чем 0,015 % (что приблизительно соответствует истинному раствору аморфного кремнезема) кремнезем накапливался только в молодых побе­гах и листьях, что указывает на перенос растворимого кремне­зема вместе с транспирационным испаряющимся потоком. Было показано, что при использовании глины в качестве источника кремнезема корни выделяли вещество, способное переносить кремнезем в раствор. Это было продемонстрировано путем от­деления глины от корней с помощью коллодиевой мембраны. При этих условиях не наблюдалось никакого поглощения крем­незема. Было сделано заключение, что в естественных условиях кремнезем, вероятно, поглощается растениями главным образом в виде растворимой кремневой кислоты и что растворимые си­ликаты образуются благодаря распаду сложных силикатов. В этом исследовании подчеркивается роль растений в процессах эрозии горных пород и формирования почвы. Хольцапфель [119] считает, что кремнезем может переходить в растворимое состоя­ние под воздействием некоторых Сахаров. Однако существуют определенные соединения, подобные катехину, которые способ­ствуют переходу кремнезема в растворимое состояние, и поэтому их также, вероятно, следует включить в рассмотрение [120] (см. гл. 1 и 3).

Амос и Дедсвелл [116] утверждают, что в способных погло­щать кремнезем растениях протоплазменная поверхность корне­вого волоска носит основной характер с преобладанием гидро­ксильных групп, которые замещаются силикат-ионами. Те же растения, корневые волоски которых имеют более кислые свой­ства, вероятно, имеют активность ионов, обеспечивающую по­явление благоприятной ситуации для адсорбции катионов: Отмечается, что в других растениях могут существовать плаз­матические мембраны, содержащие примерно равное число кислотных и основных групп, которые, следовательно, должны поглощать анионы и катионы примерно в равной мере.

Количество кремнезема в растворе понижается при добав­лении солей металлов. Так, опрыскивание растений и почвы, на которой выращивался рис, раствором сульфата меди понижало количество кремнезема, отлагаемого в листьях растений [121]. Без сомнения, данный эффект является следствием образования нерастворимого силиката меди и, таким образом, превращения кремнезема в нерастворимое состояние.

Имеется очень мало сведений относительно того, что в расте­ниях могут встречаться иные, чем свободный кремнезем, соеди­нения кремния. Малфитано и Катуар [122] сообщили, что особо чистый крахмал, полученный из картофеля и зерна, образовывал золу, содержавшую Si02. На этом основании предполагается, что кремнезем мог присутствовать в форме химически связан­ного соединения с крахмалом.

Энгель [123] изучил природу кремнезема в соломе ржи и показал, что в ней присутствуют органические комплексы крем­незема. При обработке соломы горячей водой или метанолом после предварительной обработки смесью метанол—бензол из нее могли образовываться неустойчивые органические соедине­ния кремнезема. Такие соединения легко превращаются в не­органические, нерастворимые полимеры Si02. Также было полу­чено небольшое количество кремнийорганического, способного растворяться в простом эфире комплексного соединения, в кото­ром, как нашел автор, присутствовала галактоза в соотношении 2 моль Si02 на 1 моль сахара. Невозможно было определить, включал ли такой кремнеземный комплекс в эфирном экстракте жирные кислоты и фосфорную кислоту наряду с небольшим количеством пентозы, ассоциированной более прочными связями. Эксперимент, проведенный на более позднем этапе роста расте­ния, показал, что солома ржи содержала другой кремнеземный комплекс, в котором отношение Si02 к галактозе было равно 1:1. По-видимому, кремневая кислота в подобной физиологиче­ской структуре связывается как с компонентами сахара, так и с другими компонентами. Примерно 18 % кремнезема в струк­туре соломы ржи должно соединяться с целлюлозным каркасом, поскольку именно такое количество кремнезема выделялось при растворении целлюлозы в медно-аммиачном растворе.

Энгель [123] отметил, что поскольку осаждение кремнезема б специфических частях растения, очевидно, достаточно хорошо поддается контролю, то такое осаждение должно включаться в определенные процессы метаболизма, в которых, следова­тельно, должны участвовать органические соединения кремне­зема.

В среде с низким содержанием кремнезема растения пше­ницы могут в действительности терять кремнезем из тканей, расположенных над уровнем земли. Это показывает, что крем­незем может переноситься вниз, по направлению к корням, благодаря процессу циркуляции внутри растения [124].

Для того чтобы понизить содержание кремнезема в траве свинорой и сделать ее более вкусной для животных, листья опрыскивали глифосфатом [125]. Определенное содержание кремнезема понижает усвояемость кормовых растений; это было подтверждено в экспериментах, в которых к растениям добав­лялся растворимый силикат [126].

Вейсс и Герцог [127] впервые отделили и идентифицировали чистое соединение кремния, относящееся к растениям. Они ис­следовали хвойное дерево тую (Thuja plicata) и нашли хелатное соединение кремния из туяплицина, которым оказался изопро- пилтрополон (см. ниже раздел по метаболизму кремния).